ТОЧКА НА ЗАМРЪЗВАНЕ: КАК ДА СЕ ИЗЧИСЛИ И ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

Точката на замръзване е температурата, при която веществото изпитва преходно равновесие течност-твърдо вещество. Когато става въпрос за вещество, това може да бъде съединение, чист елемент или смес. Теоретично цялата материя замръзва, когато температурата спадне до абсолютна нула (0K).

Не са необходими обаче екстремни температури, за да се наблюдава замръзването на течности. Айсберги са един от най-очевидните примери за замръзнали водни тела. По същия начин явлението може да бъде проследено в реално време с вани с течен азот или с помощта на обикновен фризер.

Източник: Pxhere

Каква е разликата между замръзване и втвърдяване? Че първият процес е силно зависим от температурата, чистотата на течността и е термодинамично равновесие; докато второто е по-свързано с промените в химичния състав на веществото, което се втвърдява, дори без да е напълно течно (паста).

Следователно замразяването е втвърдяване; но обратното не винаги е вярно. Освен това, за да се изключи терминът втвърдяване, трябва да има течна фаза в равновесие с твърдото вещество на същото вещество; айсберги правят това: те плават върху течна вода.

По този начин човек е изправен пред замръзването на течност, когато се образува твърда фаза вследствие на понижаване на температурата. Налягането също влияе върху това физическо свойство, въпреки че ефектите му са по-малко при течности с ниско налягане на парата.

Каква е точката на замръзване?

С намаляването на температурата средната кинетична енергия на молекулите намалява и следователно те се забавят малко. Докато вървите по-бавно в течността, идва момент, в който те взаимодействат достатъчно, за да образуват подредена подредба на молекулите; това е първото твърдо вещество, от което ще израснат по-големи кристали.

Ако тази първа твърда "се поклаща" твърде много, тогава ще бъде необходимо да се понижи още повече температурата, докато молекулите й останат все още достатъчно. Температурата, при която това се постига, съответства на точката на замръзване; оттам се установява течно-твърдото равновесие.

Предишният сценарий се случва за чисти вещества; но какво, ако не са?

В този случай молекулите на първото твърдо вещество трябва да успеят да включат чуждите молекули. В резултат се образува нечисто твърдо вещество (или твърд разтвор), за което е необходима температура, по-ниска от точката на замръзване за неговото образуване.

Тогава говорим за понижаването на точката на замръзване. Тъй като има повече чужди молекули или по-правилно казано примеси, течността ще замръзне при по-ниски и по-ниски температури.

Замразяване срещу разтворимост

Като се получи смес от две съединения, А и В, когато температурата спадне, А замръзва, докато В остава течен.

Сценарият е подобен на току-що обяснения. Част от А все още не е замръзнала и следователно е разтворена в Б. Дали тогава говорим за равновесието на разтворимостта, а не за прехода течност към твърдо вещество?

И двете описания са валидни: A се утаява или замръзва, отделяйки се от B, когато температурата спадне. Цялото A ще се утаи, когато вече няма разтворено в B; което е същото като да кажеш, че А ще е замръзнал напълно.

По-удобно е обаче да се третира явлението от гледна точка на замръзване. По този начин, A замръзва първо, тъй като има по-ниска точка на замръзване, докато B ще се нуждае от по-хладни температури.

Обаче „ледът на А“ всъщност се състои от твърдо вещество, което има по-богат състав на А от В; но Б също има. Това е така, защото A + B е хомогенна смес и следователно част от тази хомогенност се прехвърля в замразеното твърдо вещество.

Как да го изчислим?

Как можете да предвидите или изчислите точката на замръзване на веществото? Съществуват физикохимични изчисления, които позволяват да се получи приблизителна стойност на тази точка при други налягания (различни от 1ат, околното налягане).

Това обаче води до енталпия на сливането (Δ _Fus); тъй като сливането е процесът в обратен смисъл на замразяването.

Освен това експериментално е по-лесно да се определи точката на топене на веществото или сместа, отколкото точката на замръзване; Въпреки че може да изглеждат еднакви, те показват определени разлики.

Както бе споменато в предишния раздел: колкото по-висока е концентрацията на примеси, толкова по-голям е спадът в точката на замръзване. Това също може да се каже по следния начин: колкото по-ниска е молната фракция на твърдото вещество в сместа, толкова по-ниска е температурата.

Уравнение за намаляване на температурата

Следното уравнение изразява и обобщава всичко казано:

LnX = - (Δ _Fus / R) (1 / T - 1 / Tº) (1)

Където R е идеалната константа за газ, която има почти универсална употреба. Tº е нормалната точка на замръзване (при околно налягане), а T е температурата, при която твърдото вещество ще замръзне до молна фракция X.

От това уравнение и след поредица от опростявания се получава следното, по-известно:

ΔTc = K _F m (2)

Където m е моларността на разтвореното вещество или примеса, и K _F е криоскопичната константа на разтворителя или течния компонент.

Примери

Кратко описание на замразяването на някои вещества ще бъде дадено по-долу.

вода

Водата замръзва около 0 ° C. Тази стойност обаче може да намалее, ако съдържа разтворено в него разтворимо вещество; да кажем, сол или захар.

В зависимост от количеството на разтворения разтворител, има различни молалности m; и като m се увеличава, X намалява, чиято стойност може да бъде заместена в уравнение (1) и по този начин да се реши за T.

Например, ако чаша с вода се постави във фризер, а друга с подсладена вода (или всяка напитка на водна основа), чашата с вода първо ще замръзне. Това е така, защото кристалите му се образуват по-бързо, без нарушаване на глюкозните молекули, йони или други видове.

Същото би станало, ако поставите чаша морска вода във фризера. Сега чашата с морска вода може или не може да бъде замразена първо от чашата с подсладена вода; разликата ще зависи от количеството на разтвореното вещество, а не от неговата химическа природа.

Именно поради тази причина намаляването на Tc (температура на замръзване) е сблъскателно свойство.

алкохол

Източник: Pixabay

Алкохолите замръзват при по-студени температури от течната вода. Например, етанолът замръзва около -114 ° С. Ако се смеси с вода и други съставки, ще има увеличение на точката на замръзване, напротив.

Защо? Тъй като водата, течно вещество, смесимо с алкохола, замръзва при много по-висока температура (0 ° C).

Връщайки се в хладилника с чашите вода, ако този път се въведе едно с алкохолна напитка, това ще е последното, което ще замръзне. Колкото по-висок е етиловият клас, фризерът ще трябва да го охлади допълнително, за да замрази напитката. Именно поради тази причина напитки като текила по-трудно се замразяват.

Мляко

Източник: Pixabay

Млякото е вещество на водна основа, в което мазнините се диспергират заедно с лактоза и калциеви фосфати в допълнение към други липопротеини.

Тези компоненти, които са по-разтворими във вода, определят доколко точката на замръзване ще варира според състава.

Средно млякото замръзва при температура около -0,54ºC, но то варира между -0,50 и -0,56 в зависимост от процента вода. Така можете да разберете дали млякото е било прелюбодействано. И както виждате, чаша мляко ще замръзне почти наравно с чаша вода.

Не цялото мляко замръзва при една и съща температура, тъй като съставът му също зависи от неговия животински източник.

живак

Живакът е единственият метал, който е в течна форма при стайна температура. За да го замразите, е необходимо да се понижи температурата до -38.83ºC; И този път идеята да го излеете в чаша и да го поставите във фризер ще бъде избегната, тъй като може да доведе до ужасни инциденти.

Обърнете внимание, че живакът замръзва преди алкохол. Това може да се дължи на факта, че живачният кристал вибрира по-малко, тъй като се състои от атоми, свързани с метални връзки; докато в етанол, те са относително лека CH ₃ CH ₂ ОН молекули, които трябва да бъдат настанени бавно.

бензин

От всички примери за точка на замръзване, бензинът е най-сложният. Подобно на млякото, тя е смес; но основата му не е вода, а група от различни въглеводороди, всеки със свои структурни характеристики. Някои от малките молекули, а някои големи.

Тези въглеводороди с по-ниско налягане на парата ще замръзнат първо; докато останалите ще останат в течно състояние, дори ако чаша бензин е заобиколена от течен азот. Той няма да образува правилно „бензинов лед“, а гел с жълто-зелени тонове.

За да се замрази напълно бензинът, може да е необходимо температурата да се охлади до -200 ° C. При тази температура е вероятно да се образува бензинов лед, тъй като всички компоненти на сместа ще са замръзнали; тоест, вече няма да има течна фаза в равновесие с твърдо вещество.

Препратки

1. Катедра по физика, Университет на Илинойс, Урбана-Шампан. (2018). Въпроси и въпроси: Замразяване на бензин. Възстановено от: van.physics.illinois.edu
2. Ира Н. Левайн. (2014). Принципи на физикохимията. (Шесто издание). Mc Graw Hill.
3. Glasstone. (1970). Физикохимичен договор. Aguilar SA de Ediciones, Juan Bravo, 38, Мадрид (Испания).
4. Уолтър Дж. Мур. (1962). Физическа химия. (Четвърто издание). Longmans.
5. Sibagropribor. (2015). Определяне на точката на замръзване на млякото. Възстановени от: sibagropribor.ru
6. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (22 юни 2018 г.). Точка на замръзване на алкохола. Възстановено от: thinkco.com